WO2008138322A1 - Antriebseinrichtung mit einer antriebswelle und einer einrichtung zur erfassung eines drehmoments - Google Patents

Antriebseinrichtung mit einer antriebswelle und einer einrichtung zur erfassung eines drehmoments Download PDF

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WO2008138322A1
WO2008138322A1 PCT/DE2008/000803 DE2008000803W WO2008138322A1 WO 2008138322 A1 WO2008138322 A1 WO 2008138322A1 DE 2008000803 W DE2008000803 W DE 2008000803W WO 2008138322 A1 WO2008138322 A1 WO 2008138322A1
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WO
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drive
magnetostrictive
drive shaft
magnetic field
drive device
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PCT/DE2008/000803
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French (fr)
Inventor
Harald Grab
Michael Pausch
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Schaeffler Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00—Construction of cranks operated by hand or foot
    • B62M3/003—Combination of crank axles and bearings housed in the bottom bracket
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L2200/12—Bikes
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/18—Mechanical movements
    • Y10T74/1836—Rotary to rotary

Definitions

  • the invention is in the field of mechanical engineering and metrology. It can be used with various types of drive devices, such as bicycles, ergometers, pedelecs or other devices that can be driven by drive cranks.
  • the invention relates both to a drive device and to a device which can be driven with at least one drive crank, in particular a bicycle, an ergometer or a pedelec.
  • the instantaneous speed can give the driver an indication of whether it makes sense to choose a particular gear ratio or not. In such a decision, however, it is useful to determine not only the speed but also the instantaneous torque applied to the force load of the parts of the bicycle and the force exerted by the driver, which is equivalent to the load on his skeleton, the musculature and the joints, to determine.
  • These variables can also be decisive for the choice of a translation or for the decision to connect an auxiliary drive.
  • the power that is introduced into the drive shaft can be determined directly from the rotational speed of the drive shaft in conjunction with a measured torque.
  • DE 102005018286 A1 discloses a device for determining a torque exerted on a shaft, wherein a multipole magnet ring is provided in a first shaft section of the shaft and a stator holder with stator elements and fingers protruding in the axial direction is provided in a second shaft section. Magnetic fluxes are more or less closed by a magnetic flux ring depending on the relative rotation of the shaft parts, so that the angle of rotation, which is a measure of the torsional forces, is measured.
  • a torque sensor in which a magnet and a sensor unit are attached to two sections of the shaft, the sensor unit acting as a proximity switch and indicating a rotation of the shaft as a change in position of the magnet.
  • DE 102005023182 A1 shows a torque detecting device with a torque transmission plate for transmitting torque between a motor output element and a Drehmomentwandleran- drive element, wherein the transmission plate is slightly elastically deformable by targeted weakening due to a torque and wherein deformable webs of the transfer plate strain gauges for detecting the elastic deformation are provided. About the function of the strain gauges nothing else is executed there.
  • DE 102005041287 A1 shows a torque sensor with two partial waves, wherein each of the partial waves is connected to a so-called detection tube and the detection tubes are coaxial with each other. They are firmly connected to spaced apart points on the partial waves and have circumferentially spaced teeth, so that with more or less strong rotation of the shaft parts of the magnetic resistance between the detection tubes varies periodically depending on the agreement of the teeth. As a result, a rotation of the partial waves is detectable against each other. This is a measure of the acting torsional forces.
  • DE 10044701 C1 discloses a transmission device on the pedals of a bicycle, by means of which the pedal force is transmitted to the pedal crank.
  • An elastic element in the form of a spring is compressed by the power transmission and this force action is measured to determine the transmitted torque therefrom.
  • EP 1046893 B1 basically discloses the use of the magnetostrictive effect for torque measurement and the attachment of a magnetostrictive ring element on a shaft for transmitting the torque and for utilizing the effect.
  • a torque sensor is integrated.
  • a special sensor is described, by means of which the current is measured at high frequency in a saturation magnetization of a probe in different magnetization directions, whereby the magnetic field of the magnetostrictive element can be measured accurately.
  • the present invention has the object, in a drive device with a rotatably mounted about an axis drive shaft and two with this with respect to the axis in the circumferential direction angularly rigidly connected drive cranks and with a shaft connected to the output element for transmitting torque between the drive shaft and a load element in a structurally simple and inexpensive manner to allow the measurement of the transmitted torque through the drive shaft.
  • At least one magnetostrictive sensor is fixedly connected to the drive shaft divides any torsional load transmitted in the axial section of the shaft in which it is mounted.
  • the torque is introduced by means of a drive crank and transmitted to the output element by means of further coupled with this mechanical elements. Therefore, it makes sense to provide a magnetostrictive sensor axially between these two elements on the drive shaft.
  • the magnetostrictive sensors each have one or advantageously also two magnetic bodies made of a permanent magnetic, magnetostrictive material.
  • This material is characterized in that in the unloaded state of the magnetization state is maintained, however, that at each deformation results in a change in the magnetic properties and thus a change in the stray field outside of the magnetostrictive body.
  • the corresponding magnetostrictive bodies may be formed so that the magnetic flux substantially within the body and a stray field ideally occurs outside only when a torsional or bending moment is applied.
  • the corresponding bodies may for example be glued, soldered or welded onto the drive shaft, but they may also be glued or soldered, welded or pressed into a recess.
  • magnetostrictive effect can also be provided to use an axial portion of the drive shaft by appropriate bias as a magnetostrictive body. This can be done, for example, by passing through the drive shaft with a high pulse-like current in order to achieve a high magnetization in the circumferential direction of the current path on the basis of Ampere's law.
  • the magnetized axial section of the drive shaft thus fulfills the function of the above-described magnetostrictive bodies, namely, to be the signal generator of at least one magnetostrictive sensor.
  • a plurality of magnetostrictive bodies may be formed concentrically as cylindrical bodies and magnetized in opposite directions in the circumferential direction, so that the stray magnetic fields largely compensate one another in the ground state. If such a magnetostrictive body consisting of two magnetostrictive bodies is twisted with the drive shaft, the result is, for example, an axial stray magnetic field component which can be detected by a magnetic field sensor. It can also be advantageously provided that two magnetostrictive bodies of a sensor are arranged axially one behind the other. These can be magnetized in opposite directions, for example. In the axial marginal areas of the magnetostrictive bodies so-called pinning regions can be provided, which fix the magnetic flux.
  • an axial section of the drive shaft is designed as a signal transmitter for at least one magnetic field sensor
  • the axial section comprises a first, near-surface region and a second, surface-distant region, wherein the near-surface region has a first magnetization and the surface-distant region has a second magnetization such that in the unloaded state of the drive shaft, when no external torque occurs, the first magnetization and the second magnetization cancel each other in magnitude and direction such that no magnetic field occurs outside the drive shaft.
  • the first or second magnetization are matched to one another in their amount or by the dimension of the two regions such that the two magnetizations no longer cancel each other as soon as a mechanical stress, for example a torque acting on the drive shaft, occurs. In this case, outside the drive shaft occurs a magnetic field, which is detected by one or more magnetic field sensors.
  • the biased axial portion of the drive shaft that in the longitudinal extent of the drive shaft to at least one side, particularly preferably on both sides of the axial portion of the drive shaft so-called .pinning zones' vorge
  • the aforementioned 'pinning zones' can be similar to the biased axial portion of the drive shaft obtained by a current pulse of high intensity.
  • magnetostrictive bodies or biased axial portions of the drive shaft are equivalent alternatives that may also be provided in combination with one another to form two or more magnetostrictive signal generators.
  • the following statements apply, even if they should explicitly refer to magnetostrictive bodies, mutatis mutandis, in the event that an axial portion of the drive shaft has a bias, so in the event that the drive shaft itself is partially formed as a magnetostrictive body.
  • interference fields can be compensated by computational consideration.
  • the geomagnetic field can be calculated out.
  • the magnetic field sensors can in principle have the known functionalities such as those of a forester probe or a Hall sensor. It has proven to be particularly advantageous that a magnetic field sensor has at least one electrical coil with a ferromagnetic core, which is connected to an alternating current source for alternating magnetization of the core to saturation.
  • Such a changing determination of the flux density to be generated up to saturation makes it possible to determine the stray field intensity with particularly little effort and with particular accuracy.
  • the measurement can also be carried out particularly quickly, since the changing magnetic field saturations can be achieved without problems in the kilohertz range.
  • the magnetic field sensors deliver a magnetic field strength as a measurement result, which can be further processed to determine a bending or torque.
  • the magnetic field sensors are advantageously arranged stationary relative to the drive shaft, in a bicycle, for example in the bottom bracket cartridge or in the housing of the bottom bracket or attached to an outer ring of the corresponding rolling bearing of the drive shaft.
  • the evaluation device can furthermore determine time-averaging average values, so that the average torque for each drive crank can be determined, for example, over half a revolution of the shaft and also in total for the drive shaft.
  • the torque can also be measured in the output train, so that any losses can be calculated.
  • the power can also be calculated taking into account the corresponding torques.
  • the evaluation device is advantageously connected to an analysis device in which threshold values for torques are stored in a memory device and compared to measured torque values by means of a comparison device.
  • the analysis device can in turn be connected to a control device, which can be connected to an auxiliary drive and / or a braking device of an ergometer or a switching device for a transmission.
  • the decision can be made to limit the torque, for example by changing a gear ratio in the load element. For example, in the case of a bicycle, this can mean that a lower gear is switched if the torques are too high.
  • the corresponding switching thresholds can relate both to instantaneous values of the measured torque and to moving average values.
  • the decisions can also be made taking into account the speed or the power calculated from the speed and torque.
  • the corresponding thresholds of the torque can be used to switch on an additional drive in a bicycle, for example in the form of an electric drive or in an ergometer to reduce or increase the pedaling resistance.
  • the measurement of torques in the drive shaft allows in the described applications a variety of control options and the arrangement of the corresponding magnetostrictive sensors in the drive shaft, it also means that the sensors are well protected by the encapsulation of the shaft against environmental influences. This will also prevent malfunction and damage the sensors are unlikely.
  • Fig. 1 in cross section a drive shaft with two drive cranks as used in a bicycle;
  • FIG. 2 is a three-dimensional view of the arrangement of FIG. 1; FIG.
  • 3 shows the basic function of the magnetostrictive sensors
  • 4 shows an arrangement with two concentric magnetostrictive bodies
  • Fig. 6 shows an arrangement of two magnetostrictive bodies axially one behind the other
  • FIG. 7 shows the longitudinal section of a drive shaft with two magnetostrictive sensors.
  • FIG. 8a shows a first implementation of the embodiment from FIG. 7;
  • Fig. 8b shows the circled in Figure 8a part on an enlarged scale
  • FIG. 9 shows a second embodiment similar to the configuration of FIG. 7.
  • Figure 1 shows a drive shaft 1 of a bicycle, which at each of its ends, each with a drive crank 2, 3, also called crank in this context, by means of a screw 4, 5 in the circumferential direction with respect to the axis 6 is firmly connected rigid.
  • the shaft 1 is in two bearings 7, 8, which are designed as ball bearings, stored and housed protected in a bottom bracket 9 housing.
  • the assembly consisting of the bearings 7, 8 and the shaft 1, can also be summarized in a so-called bottom bracket cartridge.
  • the drive shaft 1 is connected to a rim or a set of wheel rims 11, which represent the output element and drive a chain of the bicycle.
  • a magnetostrictive body 12 in the form of a sleeve, for example, soldered or shrunk.
  • This sleeve forms part of a magnetostrictive sensor whose second part is used by a magnetic field probe 13 for monitoring special magnetic field components of the stray field of the magnetostrictive body 12.
  • the magnetostrictive body 12 may be permanently magnetized as a permanent magnet in the circumferential direction, so that the magnetic flux lines within the body rotate and are closed. It then occurs in the torque-free state virtually no stray field to the outside.
  • the magnetic field sensor 13 will therefore be able to detect any magnetic field components in this state.
  • the magnetostriction effect results in additional magnetic field components which generate a changed stray field outside the magnetostrictive body. These can be detected by means of the magnetic field sensor 13 and are a measure of the deformation due to the torsion of the shaft first
  • FIG. 2 shows, in a three-dimensional representation, a toothed rim 11 or a set of toothed rings, which forms part of a switchable transmission.
  • a crank star 10 can be seen, which is structurally related to the drive crank 2 and with its spokes corresponding spokes of the sprockets are bolted.
  • crank star can be directly connected to the drive crank 2 or mounted rotatably on the shaft 1.
  • the housing 9 of the bottom bracket is shown, with a magnetic field sensor 13 having, for example, an electrical coil.
  • a magnetic field sensor 13 having, for example, an electrical coil.
  • Figure 3 shows in the upper part of a three-dimensional view of a shaft 1 with a magnetostrictive body 12 which is pushed onto this as a sleeve and in the magnetic flux lines in the circumferential direction, indicated by the arrow 14, rotate closed.
  • two magnetic field sensors 13, 15 are shown, which can detect stray magnetic field components.
  • the magnetostrictive sensor 12, 13, 15 can detect torsions only if the part of the shaft on which the magnetostrictive body 12 is arranged actually transmits torque, which is the case only when it is axially between the point at the torque is introduced and the output element is arranged.
  • FIG. 4 schematically shows a possible arrangement with a plurality of magnetostrictive bodies, with two concentric hollow-cylindrical magnetic bodies 16, 17 being provided axially on a short section of the shaft 1, which are in opposite directions, as shown in the lower left-hand part of FIG are permanently magnetized in the circumferential direction.
  • FIG. 5 shows, in the left-hand part of the illustration, a hollow-cylindrical magnetostrictive element 16 in the unloaded state and above this the unrolling with the symbolization of the magnetic flux lines exclusively in the circumferential direction.
  • FIG. 6 shows a variant in which, in the left-hand part of the figure, a sleeve 16 is embedded in the shaft or formed as part of the shaft, provided that it consists of a suitable magnetostrictive material.
  • pin-ning regions 18, 19 are provided, which stabilize the magnetic field.
  • FIG. 7 shows a configuration in which the drive shaft 1 is mounted in the bearings 7, 8 and two magnetostrictive bodies 25, 26 are arranged axially in the area outside the interspace of the bearings 7, 8.
  • Each of the magnetostrictive bodies is associated with a magnetic field sensor 27, 28 for measuring the stray field components and thus for detecting the applied torque.
  • the torque introduced from both ends of the shaft can be determined individually between the drive crank and the output element. This can be determined in a simple manner, the sum of the forces acting on the drive shaft torques, which is relevant to the total load and the applied power.
  • FIG. 8 a shows a longitudinal section through a bottom bracket arrangement with a shaft 1, an encapsulation 9 of the bottom bracket, ball bearings 7, 8 and drive cranks 2, 3.
  • the drive torque is introduced by the Antriebskur- 2, 3 in the shaft 1 and the output element is connected as a disc or pedal crank 29 directly to the shaft 1 rotatably.
  • the Kurbelstem 29 the sprockets 11 are connected.
  • the torque is thus transmitted on one side of the drive crank 2 axially via the drive shaft 1 to the crank star 29, so that a magnetostrictive body 25 can be arranged axially between these elements.
  • This is integrated into the shaft 1 and surrounded by a sensor ring 27 with one or more magnetic field sensors.
  • This sensor can thus measure the transmitted from the drive crank 2 to the output element 29 torque.
  • the torque transmitted between the drive crank 3 and the driven element 29 can easily be detected with a magnetostrictive body 30 axially in front of the bearing 7, but theoretically also everywhere between the bearing 7 and the bearing 8.
  • the second magnetostrictive body 30 is shown in the vicinity of the drive crank 3 and also surrounded by a sensor ring 31 with one or more magnetic field sensors.
  • FIG. 9 two variants are compared with each other in the left and in the right half of the illustration, wherein in the right variant the magnetostrictive bodies are represented on both sides directly axially next to the output element 29 and are respectively surrounded by sensor rings 27, 31.
  • the magnetostrictive bodies are designated 25, 30.
  • the magnetostrictive body are arranged on the one hand between the output element 29 and the drive crank 2 in the left part of the figure, wherein the magnetostrictive body is again denoted by 25, the sensor ring 27.
  • a second magnetostrictive sensor is arranged in the immediate vicinity of the drive crank 3, designated there by 30 and also surrounded by a sensor ring 31.
  • FIG. 10 schematically shows a drive shaft 1 with two magnetostrictive bodies 25, 30 and corresponding magnetic field sensors 27, 31 as well as drive cranks 2, 3 and an output element 29.
  • a speed sensor 32 is shown which cooperates with an element 33 mounted on the shaft.
  • the magnetic field sensors 27, 31 are connected to an evaluation unit 34.
  • this memory device 35 is provided, which contains a value table, by means of which the measured magnetic field strengths individually torque values can be assigned.
  • the torque values are currently detectable axially on both sides of the output element 29 and can also be averaged over time. They can be added together to calculate or subtract a total torque to detect any asymmetries between the torque applied from left to right.
  • a speed can be determined which can be used together with the detected torque values for a performance determination.
  • the corresponding evaluated data are forwarded to an analysis device 37, in which threshold values for specific control options are stored. These are stored in a second memory device 38 and compared with the measured values by means of a comparison device 39.
  • power values can be compared, instantaneous torque values or time-averaged torque values.
  • reaction options is for a control device 42, the operation of a switching device 40 for changing a transmission ratio available or the control of an auxiliary drive 41, in a bicycle, for example, an electric drive.
  • the torque at the drive shaft can be measured at one or more points, and an assistance function can be activated by means of a control device that, for example, in the application of bicycles, the driver a higher ride comfort is provided.
  • the drive device described above may further comprise a transmission device for the detected measured values.
  • the transmission device transmits the recorded measured values to a receiver arranged outside the machine, for example by radio or by IR signal.

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Abstract

Bei einer Antriebseinrichtung mit einer um eine Achse (6) drehbar gelagerten Antriebswelle (1) und mit zwei mit dieser in Bezug auf die Achse in Umfangsrichtung winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln (2, 3) sowie mit einem mit der Welle verbundenen Abtriebselement (29) zur Übertragung von Drehmoment zwischen der Antriebswelle (1) und einem Lastelement ist, um auf möglichst einfache und wenig aufwendige Art die Messung des durch die Welle übertragenen Drehmoments zu ermöglichen, wenigstens ein mit der Antriebswelle fest verbundener, axial zwischen einer Antriebskurbel und dem Abtriebselement angeordneter magnetostriktiver Sensor (25, 27, 30, 31) vorgesehen.

Description

Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 Herzogenaurach
Bezeichnung der Erfindung
Antriebseinrichtung mit einer Antriebswelle und einer Einrichtung zur Erfassung eines Drehmoments
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Messtechnik. Sie ist bei verschiedenartigen Antriebseinrichtungen verwendbar, wie beispielsweise bei Fahrrädern, Ergometern, Pedelecs oder sonstigen mittels Antriebskurbeln antreibbaren Einrichtungen. Die Erfindung betrifft sowohl eine Antriebseinrichtung als auch eine mit mindestens einer Antriebskurbel antreibbare Einrichtung, insbesondere ein Fahrrad, ein Ergometer oder ein Pedelec.
Bei derartigen Geräten kann es sinnvoll sein, verschiedene Größen zu erfassen, wie beispielsweise bei Fahrrädern die Geschwindigkeit und die zurück- gelegte Fahrstrecke. Beispielsweise kann die augenblickliche Geschwindigkeit dem Fahrer einen Hinweis darauf geben, ob es sinnvoll ist, einen bestimmten Übersetzungsgang zu wählen oder nicht. Bei einer derartigen Entscheidung ist es jedoch sinnvoll, nicht nur die Geschwindigkeit sondern auch das augenblicklich ausgeübte Drehmoment zu bestimmen, um die Kraftbelastung der Teile des Fahrrades und die vom Fahrer ausgeübte Kraft, die der Belastung seines Knochengerüstes, der Muskulatur und der Gelenke gleichzusetzen ist, zu bestimmen. Auch diese Größen können für die Wahl einer Übersetzung oder auch für die Entscheidung für das Zuschalten eines Hilfsantriebs ausschlaggebend sein.
Zudem kann aus der Drehzahl der Antriebswelle im Zusammenhang mit ei- nem gemessenen Drehmoment direkt die Leistung bestimmt werden, die in die Antriebswelle eingebracht wird.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Möglichkeiten zur Drehmomentbeziehungsweise Torsionserfassung bekannt, von denen einige auch spe- ziell auf die Anwendung mit Antriebskurbeln, insbesondere Tretkurbeln bei Fahrrädern, spezialisiert sind.
Die DE 102005018286 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei in einem ersten Wellenab- schnitt der Welle ein Multipolmagnetring und in einem zweiten Wellenabschnitt ein Statorhalter mit Statorelementen und in axialer Richtung abragenden Fingern vorgesehen ist. Über einen Magnetflussring werden magnetische Flüsse je nach relativer Verdrehung der Wellenteile mehr oder weniger stark geschlossen, so dass der Verdrehwinkel, der ein Maß für die Torsi- onskräfte ist, gemessen wird.
Aus der DE 10225018293 A1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, bei dem an zwei Abschnitten der Welle jeweils für sich ein Magnet und eine Sensoreinheit befestigt ist, wobei die Sensoreinheit als Näherungsschalter wirkt und eine Verdrehung der Welle als Positionsänderung des Magneten anzeigt. Die DE 102005023182 A1 zeigt eine Drehmomenterfassungsvorrichtung mit einer Drehmomentübertragungsplatte zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen einem Motorabtriebselement und einem Drehmomentwandleran- triebselement, wobei die Übertragungsplatte durch gezielte Schwächungen leicht elastisch in Folge eines Drehmoments verformbar ist und wobei an verformbaren Stegen der Übertragungsplatte Dehnungsmessstreifen zum Nachweis der elastischen Verformung vorgesehen sind. Über die Funktion der Dehnungsmessstreifen ist dort nichts weiter ausgeführt.
Die DE 102005041287 A1 zeigt einen Drehmomentsensor mit zwei Teilwellen, wobei jede der Teilwellen mit einem so genannten Erfassungsrohr verbunden ist und die Erfassungsrohre koaxial zueinander liegen. Sie sind mit voneinander beabstandeten Stellen an den Teilwellen fest verbunden und weisen stimseitig umlaufend Zähne auf, so dass bei mehr oder weniger star- ker Verdrehung der Wellenteile der magnetische Widerstand zwischen den Erfassungsrohren je nach der Übereinstimmung der Zähne sich periodisch ändert. Hierdurch wird eine Verdrehung der Teilwellen gegeneinander nachweisbar. Diese ist ein Maß für die einwirkenden Torsionskräfte.
Aus der DE 10044701 C1 geht eine Übertragungseinrichtung an den Pedalen eines Fahrrades hervor, mittels deren die Pedalkraft auf die Tretkurbel übertragen wird. Ein elastisches Element in Form einer Feder wird durch die Kraftübertragung komprimiert und diese Kraftwirkung wird gemessen, um daraus das übertragene Drehmoment zu bestimmen.
Aus der DE 69900898 T2 ist einerseits die Anbindung von magnetostriktiven Elementen für die Torsionsmessung bekannt, wobei durch ein magnetisches Material die Torsion in eine elektrische Spannung umgesetzt werden soll. Hauptgegenstand des Dokuments ist andererseits eine Messung eines Drehmoments mittels zweier gemeinsam gelagerter Scheiben, die über in Drehrichtung wirkende Federelemente gekoppelt sind. Durch den erzielten Winkelversatz lässt sich das übertragene Drehmoment zwischen beiden Schei- ben bestimmen.
Aus der EP 1046893 B1 ist grundsätzlich die Verwendung des magnetostrik- tiven Effekts für die Drehmomentmessung und die Befestigung eines magne- tostriktiven Ringelements auf einer Welle zur Übertragung des Drehmoments und zur Ausnutzung des Effektes bekannt. Es ist dort jedoch keine Konstruktion im direkten Zusammenhang mit dem Aufbau eines Wälzlagers beschrieben, in das ein Drehmomentsensor integriert wird. Zur Messung des Magnetfeldes ist ein spezieller Sensor beschrieben, mittels dessen der Strom bei einer Sättigungsmagnetisierung einer Sonde in verschiedenen Magnetisierungsrichtungen hochfrequent gemessen wird, wodurch das Magnetfeld des magnetostriktiven Elements genau gemessen werden kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Antriebseinrichtung mit einer um eine Achse drehbar gelagerten Antriebswelle und mit zwei mit dieser in Bezug auf die Achse in Umfangsrichtung winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln sowie mit einem mit der Welle verbundenen Abtriebselement zur Übertragung von Drehmoment zwischen der Antriebswelle und einem Lastelement auf möglichst konstruktiv einfache und wenig aufwendige Weise die Messung des durch die Antriebswelle übertragenen Drehmomentes zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Dadurch, dass mit der Antriebswelle wenigstens ein magnetostriktiver Sensor fest verbunden ist, teilt dieser jede Torsionsbelastung, die in dem axialen Abschnitt der Welle, in der er befestigt ist, übertragen wird. Üblicherweise wird das Drehmoment mittels einer Antriebskurbel eingebracht und an dem Abtriebselement mittels weiterer mit diesem gekoppelter mechanischer Elemente übertragen. Daher ist es sinnvoll, axial zwischen diesen beiden Elementen auf der Antriebswelle einen magnetostriktiven Sensor vorzusehen.
Um das insgesamt durch die Welle übertragene Drehmoment zu jedem Zeitpunkt oder auch gemittelt erfassen zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, zwischen jeder der Antriebskurbeln und dem Abtriebselement jeweils we- nigstens einen magnetostriktiven Sensor vorzusehen.
Bei einem Fahrrad beispielsweise ergibt es sich durch die physiologischen und physikalischen Grundgegebenheiten, dass ein Fahrradfahrer die beiden Antriebskurbeln/Tretkurbeln nicht gleichzeitig gleich stark treibt, sondern pe- riodisch wechselnd und in Abhängigkeit von der Winkelstellung der jeweiligen Antriebskurbel.
Es kann das über jede der Antriebskurbeln eingebrachte Drehmoment zeitlich wenigstens über eine halbe Drehung der Antriebswelle gemittelt werden und die Drehmomente beider Antriebskurbeln können beispielsweise auch miteinander verglichen werden, um Asymmetrien beim Fahrer auszugleichen.
Die magnetostriktiven Sensoren weisen jeweils einen oder vorteilhaft auch zwei magnetische Körper aus einem permanentmagnetischen, magnetostriktiven Material auf. Dieses Material zeichnet sich dadurch aus, dass im unbelasteten Zustand der Magnetisierungszustand erhalten bleibt, dass sich jedoch bei jeder Verformung eine Änderung der magnetischen Eigenschaften und damit eine Änderung des Streufeldes außerhalb des magnetostriktiven Körpers ergibt. Somit lassen sich durch Nachweis der Streufelder Verformungen und damit auf die magnetostriktiven Körper wirkende Biege- oder Torsionsmomente nachweisen. Die entsprechenden magnetostriktiven Körper können so ausgebildet sein, dass der magnetische Fluss im wesentlichen innerhalb des Körpers verläuft und ein Streufeld idealerweise außerhalb nur dann auftritt, wenn ein Torsions- oder Biegemoment aufgebracht wird.
Die entsprechenden Körper können beispielsweise auf die Antriebswelle aufgeklebt, aufgelötet oder aufgeschweißt sein, sie können jedoch auch in eine Ausnehmung eingeklebt oder eingelötet, eingeschweißt oder einge- presst sein.
Da viele Stahlsorten die Voraussetzungen des magnetostriktiven Effektes erfüllen, kann auch vorgesehen sein, einen axialen Abschnitt der Antriebswelle durch entsprechende Vormagnetisierung als magnetostriktiven Körper zu nutzen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Antriebs- welle mit einem hohen impulsartigen Strom durchsetzt wird, um aufgrund des Ampere'schen Gesetzes eine hohe Magnetisierung in Umfangsrichtung des Strompfades zu erreichen.
Der magnetisierte axiale Abschnitt der Antriebswelle erfüllt damit die Funkti- on der vorbeschriebenen magnetostriktiven Körper, nämlich die, Signalgeber mindestens eines magnetostriktiven Sensors zu sein.
Mehrere magnetostriktive Körper können beispielsweise konzentrisch als zylindrische Körper ausgebildet und gegensinnig in Umfangsrichtung magne- tisiert sein, so dass die magnetischen Streufelder einander im Grundzustand weitestgehend kompensieren. Wird ein derartiger aus zwei magnetostriktiven Körpern bestehender magnetostriktiver Sensor mit der Antriebswelle tordiert, so entsteht beispielsweise eine axiale Streumagnetfeldkomponente, die mit einem Magnetfeldsensor nachgewiesen werden kann. Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass zwei magnetostriktive Körper eines Sensors axial hintereinander liegend angeordnet sind. Diese können beispielsweise gegensinnig magnetisiert sein. In den axialen Randbereichen der magnetostriktiven Körper können so genannte Pinningregionen vorgese- hen sein, die den magnetischen Fluss fixieren.
Die obigen Ausführungen betreffend einen oder mehrere magnetostriktive Körper als Signalgeber für Magnetfeldsensoren gelten entsprechend, wenn der mindestens eine axiale Abschnitt der Antriebswelle selbst eine Magneti- sierung aufweist und als Signalgeber für einen oder mehrere Magnetfeldsensoren dient.
Ist ein axialer Abschnitt der Antriebswelle als Signalgeber für mindestens einen Magnetfeldsensor ausgebildet, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der axiale Abschnitt einen ersten, oberflächennahen Bereich und einen zweiten, oberflächenfernen Bereich umfasst, wobei der oberflächennahe Bereich eine erste Magnetisierung und der oberflächenferne Bereich eine zweite Magnetisierung aufweist, derart, dass sich im unbelasteten Zustand der Antriebswelle, wenn kein äußeres Drehmoment auftritt, die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung derart in Betrag und Richtung aufheben, dass außerhalb der Antriebswelle kein Magnetfeld auftritt. Jedoch sind die erste bzw. zweite Magnetisierung ihrem Betrag nach bzw. durch die Abmessung der beiden Bereiche derart aufeinander abgestimmt, dass die beiden Magnetisierungen sich nicht mehr aufheben, sobald eine mechanische Spannung, beispielsweise ein auf die Antriebswelle wirkendes Drehmoment, auftritt. In diesem Fall tritt außerhalb der Antriebswelle ein Magnetfeld auf, das durch einen oder mehreren Magnetfeldsensoren erfasst wird.
Vorzugsweise ist für den mit einer Vormagnetisierung versehenen axialen Abschnitt der Antriebswelle vorgesehen, dass in Längserstreckung der Antriebswelle zu mindestens einer Seite, besonders bevorzugt zu beiden Seiten des axialen Abschnitts der Antriebswelle so genannte .pinning zones' vorge- sehen sind, Bereiche also, in denen das Magnetfeld deutlich abfällt, so dass in Längsrichtung der Antriebswelle das Magnetfeld des axialen Abschnitts auf diesen im wesentlichen beschränkt ist und Streufelder in Längsrichtung der Antriebswelle unterdrückt werden. Die genannten ,pinning zones' lassen sich ähnlich wie der mit der Vormagnetisierung versehene axiale Abschnitt der Antriebswelle durch einen Stromimpuls von hoher Intensität erhalten.
Es versteht sich, dass magnetostriktive Körper bzw. mit einer Vormagnetisierung versehen axiale Abschnitte der Antriebswelle gleichwertige Alternativen darstellen, die auch in Kombination miteinander vorgesehen sein können, um zwei oder mehr Signalgeber für magnetostriktive Sensoren auszubilden. Die folgenden Ausführungen gelten, auch wenn diese explizit auf magnetostriktive Körper Bezug nehmen sollten, sinngemäß auch für den Fall, dass ein axialer Abschnitt der Antriebswelle eine Vormagnetisierung aufweist, also für den Fall, dass die Antriebswelle selbst abschnittsweise als magnetostrik- tiver Körper ausgebildet ist.
Durch die somit im Belastungs-/Torsionsfall erzeugten magnetischen Streufeldkomponenten, die unterschiedlich ausgerichtet sein können und die mit verschiedenen Magnetfeldsensoren nachgewiesen werden, können durch rechnerische Berücksichtigung Störfelder kompensiert werden. Beispielsweise das Erdmagnetfeld kann so herausgerechnet werden.
Es können zur Erzielung einer höheren Genauigkeit auch mehr als zwei, bei- spielsweise bis zu acht, solcher magnetostriktiver Körper mit entsprechenden Magnetfeldsensoren eingesetzt werden.
Die Magnetfeldsensoren können grundsätzlich die bekannten Funktionsweisen wie beispielsweise die einer Förstersonde oder eines Hallsensors auf- weisen. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass ein Magnetfeldsensor wenigstens eine elektrische Spule mit einem ferromagnetischen Kern aufweist, die mit einer Wechselstromquelle zur wechselnden Magnetisierung des Kerns bis zur Sättigung verbunden ist.
Durch eine solche wechselnde Bestimmung der bis zur Sättigung zu erzeugenden Flussdichte kann mit besonders geringem Aufwand und besonders genau die Streufeldstärke bestimmt werden. Die Messung ist auch besonders schnell durchführbar, da die wechselnden Magnetfeldsättigungen prob- lemlos im Kilohertz-Bereich erreicht werden können.
Die Magnetfeldsensoren liefern als Messergebnis eine Magnetfeldstärke, die zur Ermittlung eines Biege- oder Drehmomentes weiterverarbeitet werden kann.
Die Magnetfeldsensoren sind vorteilhaft ortsfest gegenüber der Antriebswelle angeordnet, bei einem Fahrrad beispielsweise in der Tretlagerpatrone oder im Gehäuse des Tretlagers oder befestigt an einem Außenring des entsprechenden Wälzlagers der Antriebswelle.
Sie sind mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, die den Magnetfeldwerten entsprechende Drehmomentwerte aufgrund einer in einer Speichereinrichtung hinterlegten Messwerttabelle zuordnet. Es ist auch denkbar, eine einfache Rechenvorschrift zu benutzen, um aus den gemessenen Magnetfeld- stärken jeweils Drehmomente zu bestimmen.
Die Auswerteeinrichtung kann weiterhin zeitlich gleitende Mittelwerte bestimmen, so dass das mittlere Drehmoment für jede Antriebskurbel beispielsweise über eine halbe Umdrehung der Welle und auch in Summe für die Antriebswelle bestimmbar ist. Zusätzlich kann auch im Abtriebsstrang das Drehmoment gemessen werden, so dass auch etwaige Verluste berechenbar sind.
Wird zusätzlich die Drehzahl der Antriebswelle gemessen oder die Ge- schwindigkeit des Fahrrades, woraus sich auf die Drehzahl zurückrechnen lässt, so kann unter Berücksichtigung der entsprechenden Drehmomente auch die Leistung berechnet werden.
Die Auswerteeinrichtung ist vorteilhaft mit einer Analyseeinrichtung verbun- den, in der Schwellwerte für Drehmomente in einer Speichereinrichtung hinterlegt und mittels einer Vergleichseinrichtung mit gemessenen Drehmomentwerten verglichen werden.
Die Analyseeinrichtung kann ihrerseits mit einer Steuereinrichtung verbun- den sein, die mit einem Zusatzantrieb und/oder einer Bremseinrichtung eines Ergometers oder einer Schalteinrichtung für ein Getriebe verbunden sein kann.
In der Analyseeinrichtung kann bei Überschreiten eines bestimmten Dreh- momentes an der Antriebswelle oder an einer Antriebskurbel die Entscheidung getroffen werden, das Drehmoment zu begrenzen, beispielsweise durch Änderung einer Getriebeübersetzung bei dem Lastelement. Dies kann bei einem Fahrrad beispielsweise bedeuten, dass bei zu hohen Drehmomenten ein niedrigerer Gang geschaltet wird.
Die entsprechenden Schaltschwellen können sowohl Momentanwerte des gemessenen Drehmomentes als auch gleitende Durchschnittswerte betreffen.
Die Entscheidungen können zudem auch unter Berücksichtigung der Drehzahl beziehungsweise der aus Drehzahl und Drehmoment berechneten Leistung getroffen werden. Ebenso können die entsprechenden Schwellen des Drehmomentes dazu genutzt werden, einen Zusatzantrieb bei einem Fahrrad zuzuschalten, beispielsweise in Form eines Elektroantriebs oder bei einem Ergometer den Tretwiderstand herunter- oder heraufzusetzen.
Ändert sich die Richtung des eingebrachten Drehmomentes, so kann insbesondere beim Betrieb eines Fahrrads darauf geschlossen werden, dass eine Bremsung beabsichtigt wird und aus dieser Information können Befehle für die Bremseinrichtung abgeleitet werden, so dass beispielsweise eine zusätz- liehe Bremse zugeschaltet werden kann.
Die Messung von Drehmomenten in der Antriebswelle erlaubt bei den beschriebenen Anwendungen vielfältige Steuerungsmöglichkeiten und die Anordnung der entsprechenden magnetostriktiven Sensoren im Bereich der Antriebswelle bringt es gleichzeitig mit sich, dass die Sensoren durch die Kapselung der Welle gut gegen Umwelteinflüsse geschützt sind. Damit werden auch Fehlfunktionen vermieden und Beschädigungen der Sensoren werden unwahrscheinlich.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 im Querschnitt eine Antriebswelle mit zwei Antriebskurbeln wie sie bei einem Fahrrad eingesetzt werden;
Fig. 2 eine dreidimensionale Ansicht der Anordnung aus Figur 1 ;
Fig. 3 die grundsätzliche Funktion der magnetostriktiven Sensoren; Fig. 4 eine Anordnung mit zwei konzentrischen magnetostriktiven Körpern;
Fig. 5 schematisch die Änderung des Magnetfeldes durch den magne- tostriktiven Effekt;
Fig. 6 eine Anordnung von zwei magnetostriktiven Körpern axial hintereinander;
Fig. 7 den Längsschnitt einer Antriebswelle mit zwei magnetostriktiven Sensoren;
Fig. 8a eine erste Umsetzung der Ausgestaltung aus Figur 7;
Fig. 8b zeigt den in Figur 8a eingekreisten Teil in vergrößertem Maßstab und
Fig. 9 eine zweite Ausgestaltung ähnlich der Konfiguration aus Figur 7.
Figur 1 zeigt eine Antriebswelle 1 eines Fahrrades, die an jedem ihrer Enden mit je einer Antriebskurbel 2, 3, in diesem Zusammenhang auch Tretkurbel genannt, mittels einer Verschraubung 4, 5 in Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse 6 winkelsteif fest verbunden ist. Die Welle 1 ist in zwei Lagern 7, 8, die als Kugellager ausgebildet sind, gelagert und in einem Tretlagerge- häuse 9 geschützt untergebracht.
Die Baueinheit, bestehend aus den Lagern 7, 8 und der Welle 1 , kann zusätzlich auch in einer so genannten Tretlagerpatrone zusammengefasst sein. Über einen Kurbelstern 10 ist die Antriebswelle 1 mit einem Radkranz beziehungsweise einem Satz von Radkränzen 11 verbunden, die das Abtriebselement darstellen und eine Kette des Fahrrads antreiben.
Axial in der Mitte der Welle ist auf diese ein magnetostriktiver Körper 12 in Form einer Hülse aufgebracht, beispielsweise aufgelötet oder aufgeschrumpft. Diese Hülse bildet einen Teil eines magnetostriktiven Sensors, dessen zweiter Teil von einer Magnetfeldsonde 13 zur Überwachung besonderer Magnetfeldkomponenten des Streufeldes des magnetostriktiven Kör- pers 12 dient. Beispielsweise kann der magnetostriktive Körper 12 als Permanentmagnet in Umfangsrichtung dauerhaft magnetisiert sein, so dass die magnetischen Flusslinien innerhalb des Körpers umlaufen und geschlossen sind. Es tritt dann im drehmomentfreien Zustand praktisch kein Streufeld nach außen.
Der Magnetfeldsensor 13 wird demnach in diesem Zustand auch keine Magnetfeldkomponenten nachweisen können.
Wird die Welle 1 und damit auch der magnetostriktive Körper einer Torsion unterworfen, so ergeben sich durch die Magnetostriktionswirkung zusätzliche Magnetfeldkomponenten, die außerhalb des magnetostriktiven Körpers ein geändertes Streufeld erzeugen. Diese können mittels des Magnetfeldsensors 13 nachgewiesen werden und sind ein Maß für die Verformung in Folge der Torsion der Welle 1.
Mittels des magnetostriktiven Körpers 12 kann somit ein Drehmoment er- fasst werden, das zwischen der Antriebskurbel 3 und dem Abtrieb auf der gegenüberliegenden Seite der Welle 1 übertragen wird.
In der Figur 2 ist in dreidimensionaler Darstellung ein Zahnkranz 11 beziehungsweise ein Satz von Zahnkränzen dargestellt, der einen Teil eines schaltbaren Getriebes bildet. Außerdem ist ein Kurbelstern 10 zu erkennen, der baulich mit der Antriebskurbel 2 zusammenhängt und mit dessen Speichen entsprechende Speichen der Zahnkränze verschraubt sind.
Der Kurbelstern kann direkt mit der Antriebskurbel 2 verbunden oder auf der Welle 1 drehfest befestigt sein.
Weiterhin ist das Gehäuse 9 des Tretlagers dargestellt, mit einem Magnetfeldsensor 13, der beispielsweise eine elektrische Spule aufweist. Zu Kom- pensationszwecken können auch mehrere Spulen mit entsprechenden Kernen vorgesehen sein, wobei die Kerne durch Einprägen eines Wechselstroms hochfrequent ummagnetisiert werden, wobei sich eine nachzuweisende Magnetfeldstärke dadurch bemerkbar macht, dass die zur Sättigung zusätzlich zu erzeugenden Stromstärken in den beiden Richtungen der Magnetisierung unterschiedlich sind. Aus dieser Asymmetrie kann die nachgewiesene Magnetfeldstärke bestimmt werden.
Es ist jedoch auch denkbar, handelsübliche Magnetfeldsonden wie beispielsweise Hallsensoren oder Förstersonden einzusetzen.
Figur 3 zeigt im oberen Teil eine dreidimensionale Ansicht einer Welle 1 mit einem magnetostriktiven Körper 12, der auf diese als Hülse aufgeschoben ist und in dem magnetische Flusslinien in Umfangsrichtung, angedeutet durch den Pfeil 14, geschlossen umlaufen.
Am Umfang der Welle, um 180° versetzt, sind zwei Magnetfeldsensoren 13, 15 dargestellt, die Streumagnetfeldkomponenten nachweisen können.
Im unteren Teil der Figur 3 ist die Konfiguration mit entsprechenden Lagern und einer Tretlagerpatrone in einem Längsschnitt dargestellt. Die Lager sind mit 7, 8 bezeichnet, die entsprechenden Drehmomente werden jeweils an den Enden der Welle 1 mittels Antriebskurbeln eingebracht und auf ein nicht näher dargestelltes, zwischen den Antriebskurbeln liegendes, Abtriebselement übertragen.
Der magnetostriktive Sensor 12, 13, 15 kann Torsionen jedoch nur dann nachweisen, wenn der Teil der Welle, auf dem der magnetostriktive Körper 12 angeordnet ist, auch tatsächlich Drehmoment überträgt, was nur dann der Fall ist, wenn er axial zwischen der Stelle, an der das Drehmoment eingebracht wird und dem Abtriebselement angeordnet ist.
In der Figur 4 ist eine mögliche Anordnung mit mehreren magnetostriktiven Körpern schematisch dargestellt, wobei axial gesehen auf einem kurzen Abschnitt der Welle 1 zwei konzentrische hohlzylindrische magnetische Körper 16, 17 vorgesehen sind, die, wie im linken unteren Teil der Figur 4 dargestellt ist, gegensinnig in Umfangsrichtung permanentmagnetisiert sind.
Durch diese Konfiguration heben sich eventuell verbleibenden Streufelder im unbelasteten Zustand auf, jedenfalls ergeben sich keine in Axialrichtung der Welle 1 gerichteten Magnetfeldkomponenten.
Im unteren rechten Teil der Figur 4 ist eine Abrollung der Körper 16, 17 gezeigt, aus der hervorgeht, dass der magnetische Fluss keine Komponente in Axialrichtung 6 der Welle aufweist.
Die Figur 5 zeigt im linken Teil der Darstellung ein hohlzylindrisches magne- tostriktives Element 16 in unbelastetem Zustand und darüber die Abrollung mit der Symbolisierung der magnetischen Flusslinien ausschließlich in Umfangsrichtung.
Im rechten Teil der Figur ist der tordierte, mit einem Drehmoment belastete Zustand des magnetostriktiven Körpers gezeigt, wobei definierte Materialstücke, die im unbelasteten Zustand axial verlaufen, im belasteten Zustand wendeiförmige Ausschnitte aus dem hohlzylindrischen Körper 16 bilden. Hierdurch ergeben sich, wie aus der Darstellung im rechten oberen Teil der Figur 5 hervorgeht, zusätzliche axiale Komponenten des magnetischen Flusses, die zur Entstehung von axialen Komponenten des Streumagnetfeldes führen.
Diese können leicht mittels Magnetfeldsensoren nachgewiesen werden.
Die Figur 6 zeigt eine Variante, bei der im linken Teil der Figur eine Hülse 16 in die Welle eingelassen oder als Teil der Welle ausgebildet ist, sofern diese aus einem passenden magnetostriktiven Material besteht.
Axial beiderseits des magnetostriktiven Körpers 16 sind so genannten Pin- ningregionen 18, 19 vorgesehen, die das Magnetfeld stabilisieren.
Als gestrichelte Linien sind teilweise axial gerichtete Streufelder eingezeichnet, die bei einer Torsionsbelastung auftreten und nachgewiesen werden können.
Im rechten Teil der Figur sind zwei Hülsen 16, 20 axial hintereinander an der Welle 1 angeordnet, wobei die Magnetisierung der Hülsen 16, 20 jeweils in Umfangsrichtung der Welle 1 , jedoch gegensinnig zueinander eingestellt ist.
Beiderseits der magnetostriktiven Körper 16, 20 sind Pinningregionen 21 , 22 zur Stabilisierung des Magnetfelds vorgesehen.
Durch diese Anordnung entstehen durch die Anisotropieeffekte bei der Magnetostriktion axial gerichtete Streumagnetfeldkomponenten in jeweils entgegengesetzten, axialen Richtungen. Diese können mittels zweier Magnetfeldsensoren 23, 24 nachgewiesen werden, wobei Störfelder herausge- rechnet oder kompensiert werden können. Es kann somit mit einer Kombination mehrerer magnetstriktiver Körper eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden. In der Figur 7 ist eine Konfiguration gezeigt, bei der die Antriebswelle 1 in den Lagern 7, 8 gelagert ist und axial im Bereich außerhalb des Zwischenraums der Lager 7, 8 zwei magnetostriktive Körper 25, 26 angeordnet sind. Jedem der magnetostriktiven Körper ist ein Magnetfeldsensor 27, 28 zur Messung der Streufeldkomponenten und damit zur Erfassung des anliegenden Drehmoments zugeordnet.
Liegt das Abtriebselement der Antriebswelle zwischen den magnetostriktiven Körpern 25, 26, so kann das von beiden Enden der Welle her eingebrachte Drehmoment jeweils zwischen der Antriebskurbel und dem Abtriebselement einzeln bestimmt werden. Damit kann auf einfache Weise auch die Summe der auf die Antriebswelle wirkenden Drehmomente bestimmt werden, die für die Gesamtbelastung und für die aufgebrachte Leistung maßgeblich ist.
Die Figur 8a zeigt einen Längsschnitt durch eine Tretlageranordnung mit einer Welle 1 , einer Kapselung 9 des Tretlagers, Kugellagern 7, 8 und Antriebskurbeln 2, 3.
Bei dieser Konstruktion wird das Antriebsdrehmoment durch die Antriebskur- beln 2, 3 in die Welle 1 eingebracht und das Abtriebselement ist als Scheibe beziehungsweise Tretkurbelstern 29 unmittelbar mit der Welle 1 drehfest verbunden. Mit dem Kurbelstem 29 sind andererseits die Zahnkränze 11 verbunden.
Das Drehmoment wird somit auf der einen Seite von der Antriebskurbel 2 axial über die Antriebswelle 1 zu dem Kurbelstern 29 übertragen, so dass axial zwischen diesen Elementen ein magnetostriktiver Körper 25 angeordnet werden kann. Dieser ist in die Welle 1 integriert und von einem Sensorring 27 mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren umgeben. Mittels die- ses Sensors lässt sich somit das von der Antriebskurbel 2 zu dem Abtriebselement 29 übertragene Drehmoment messen. Das Drehmoment, das zwischen der Antriebskurbel 3 und dem Abtriebselement 29 übertragen wird, kann problemlos mit einem magnetostriktiven Körper 30 axial vor dem Lager 7, jedoch theoretisch auch überall zwischen dem Lager 7 und dem Lager 8 erfasst werden. In der Figur ist der zweite magne- tostriktive Körper 30 in der Nähe der Antriebskurbel 3 dargestellt und ebenfalls von einem Sensorring 31 mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren umgeben.
In der Figur 9 sind in der linken und in der rechten Hälfte der Darstellung zwei Varianten miteinander verglichen, wobei in der rechten Variante die magnetostriktiven Körper beiderseits unmittelbar axial neben dem Abtriebselement 29 dargestellt und jeweils von Sensorringen 27, 31 umgeben sind. Die magnetostriktiven Körper sind mit 25, 30 bezeichnet.
Im Vergleich dazu sind im linken Figurenteil die magnetostriktiven Körper einerseits zwischen dem Abtriebselement 29 und der Antriebskurbel 2 angeordnet, wobei der magnetostriktive Körper wieder mit 25, der Sensorring mit 27 bezeichnet ist. Andererseits ist ein zweiter magnetostriktiver Sensor in unmittelbarer Nähe der Antriebskurbel 3 angeordnet, dort mit 30 bezeichnet und ebenfalls von einem Sensorring 31 umgeben.
Zur Bestimmung der beiden von den Antriebskurbeln 2, 3 eingebrachten Drehmomente in die Antriebswelle 1 sind beide Varianten gleichwertig.
Figur 10 zeigt schematisch eine Antriebswelle 1 mit zwei magnetostriktiven Körpern 25, 30 und entsprechenden Magnetfeldsensoren 27, 31 sowie Antriebskurbeln 2, 3 und ein Abtriebselement 29.
Zusätzlich ist ein Drehzahlsensor 32 dargestellt, der mit einem auf der Welle befestigten Element 33 zusammenwirkt. Die Magnetfeldsensoren 27, 31 sind mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden. In dieser ist eine Speichereinrichtung 35 vorgesehen, die eine Wertetabelle enthält, mittels deren den gemessenen Magnetfeldstärken jeweils individuell Drehmomentwerte zugeordnet werden können. Somit sind die Dreh- momentwerte axial zu beiden Seiten des Abtriebelements 29 momentan erfassbar und können auch zeitlich gemittelt werden. Sie können addiert werden, um ein Gesamtdrehmoment zu berechnen oder auch subtrahiert, um eventuelle Asymmetrien zwischen den von links und rechts eingebrachten Drehmomenten zu detektieren.
Mittels des Drehzahlsensors 32 kann im Zusammenwirken mit einer Zeitbasis 36 eine Drehzahl bestimmt werden, die gemeinsam mit den erfassten Drehmomentwerten für eine Leistungsbestimmung verwendet werden kann.
Die entsprechenden ausgewerteten Daten werden an eine Analyseeinrichtung 37 weitergegeben, in der Schwellwerte für bestimmte Steueroptionen hinterlegt sind. Diese sind in einer zweiten Speichereinrichtung 38 gespeichert und werden mit den Messwerten mittels einer Vergleichseinrichtung 39 verglichen.
Dabei können Leistungswerte verglichen werden, momentane Drehmomentwerte oder zeitlich gemittelte Drehmomentwerte.
Als Reaktionsoptionen steht für eine Steuereinrichtung 42 die Betätigung einer Schalteinrichtung 40 zur Veränderung einer Getriebeübersetzung zur Verfügung oder die Ansteuerung eines Zusatzantriebs 41 , bei einem Fahrrad beispielsweise eines Elektroantriebs.
Somit kann mittels der Erfindung auf einfache Weise und ohne grundsätzlich in den Aufbau einer Maschine einzugreifen, das Drehmoment an der Antriebswelle an einer oder mehreren Stellen gemessen werden und mittels einer Steuereinrichtung kann eine Assistenzfunktion aktiviert werden, so dass beispielsweise bei der Anwendung bei Fahrrädern dem Fahrer ein höherer Fahrkomfort zur Verfügung gestellt wird.
Die vorstehend beschriebene Antriebseinrichtung kann weiter eine Übertra- gungsvorrichtung für die erfassten Messwerte umfassen. Die Übertragungs- vorrichtung übermittelt dabei beispielsweise per Funk oder per IR-Signal die erfassten Messwerte an einen außerhalb der Maschine angeordneten Empfänger.
Bezugszeichenliste
1 Antriebswelle
2, 3 Antriebskurbel
4, 5 Verschraubung
6 Achse
7, 8 Lager
9 Tretlagergehäuse
10 Kurbelstern
11 Radkränze
12, 25, 26 magnetostriktive Körper
13, 15, 23, 24, 27, 28 Magnetfeldsensor
16, 17, 20 Hohlzylindrische magnetische Körper, Hülse
18, 19, 21 , 22 Pinningregionen
29 Tretkurbelstern
30 magnetostriktive r Körper
31 Sensorring
32 Drehzahlsensor
33 Auswerteeinheit
35 Speichereinrichtung
36 Zeitbasis
37 Analyseeinrichtung
38 Speichereinrichtung
39 Vergleichseinrichtung
40 Schalteinrichtung
41 Zusatzantrieb

Claims

Schaeffler KG Industrϊestr. 1 - 3, 91074 HerzogenaurachPatentansprüche
1. Antriebseinrichtung mit einer um eine Achse (6) drehbar gelagerten Antriebswelle (1) und mit zwei mit dieser in Bezug auf die Achse in Umfangsrichtung winkelsteif verbundenen Antriebskurbeln (2, 3) so- wie mit einem mit der Antriebswelle (1) verbundenen Abtriebselement
(29) zur Übertragung von Drehmoment zwischen der Antriebswelle (1) und einem Lastelement gekennzeichnet durch wenigstens ein mit der Antriebswelle (1) fest verbundenen, axial zwi- sehen einer Antriebskurbel (2, 3) und dem Abtriebselement (29) angeordneten magnetostriktiven Sensor (12, 13, 25, 27, 30, 31).
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass je ein magnetostriktiver Sensor (12, 13, 25, 27, 30, 31) axial zwischen jeder der Antriebskurbeln (2, 3) und dem Abtriebselement (29) angeordnet ist.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktive Sensor (12, 13, 25, 27, 30, 31) mindestens zwei magnetostriktive Körper (12, 25, 30) aufweist.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetostriktive Körper (16, 17) eines magnetostriktiven Sensors als konzentrische zylindrische Körper ausgebildet sind.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei magnetostriktiven Körper (16, 17) im unbelasteten Zustand gegensinnig magnetisiert sind.
6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetostriktive Körper (16, 20) eines magnetostriktiven Sensors (16, 20, 23, 24) axial hintereinander liegend angeordnet sind.
7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Torsion mit den zwei magnetostriktiven Körpern (16, 20) erzeugten Magnetfeldkomponenten unterschiedliche Richtungen aufweisen.
8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein axialer Abschnitt der Antriebswelle (1) durch eine Magnetisierung als Teil des magnetostriktiven Sensors ausgebildet ist.
9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine axiale Abschnitt der Antriebswelle (1) einen ersten, oberflächennahen Bereich mit einer ersten Magnetisierung und einen zweiten, oberflächenfernen Bereich mit einer zweiten Magnetisierung umfasst, wobei sich die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung in einem mechanisch unbelasteten, insbesondre drehmomentfreien Zustand der Antriebswelle (1) zu einem außerhalb der Antriebswelle (1) im wesentlichen verschwindenden Magnetfeld addieren.
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Seite des mit der Magnetisierung versehenen axialen Abschnitts der Antriebswelle (1) eine Pinning zone angeordnet ist, die das außerhalb der Antriebswelle (1) messbare Magnetfeld des axialen Abschnittes im wesentlichen auf den Bereich des axialen Abschnittes begrenzt.
11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem magnetostriktiven Sensor (12, 13, 25, 27, 30, 31) ein Magnetfeldsensor (13, 15, 27, 31) zur Messung des magnetischen Streufeldes zugeordnet ist.
12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass jedem magnetostriktiven Körper (12, 25, 30) bzw. jedem mit einer Magnetisierung versehenen axialen Abschnitt der Antriebswelle ein Magnetfeldsensor (13, 15, 27, 31) zugeordnet ist.
13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor (13, 15, 27, 31) wenigstens eine elektrische Spule mit einem ferromagnetischen Kern aufweist, die mit einer Wechselstromquelle zur wechselnden Magnetisierung des Kerns bis zur Sättigung verbunden ist.
14. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11 , 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Magnetfeldsensoren (13, 15, 27, 31) gegenüber der Antriebswelle (1) ortsfest angeordnet sind.
15. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (34), die mit den Magnetfeldsensoren (27, 31) verbunden ist und den gemessenen Magnetfeldwerten Drehmo- mentwerte zuordnet.
16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Analyseeinrichtung (37), in der Schwellwerte für Drehmomente in einer Speichereinrichtung (38) hinterlegt sind und mittels einer Vergleichseinrichtung (39) mit gemessenen Drehmomentwerten verglichen werden.
17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (42), die mit der Analyseeinrichtung (37) einerseits und einem Zusatzantrieb (41) und/oder einer Schalteinrichtung (40) für ein Getriebe andererseits verbunden ist.
18. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, weiter umfassend eine Übertragungsvorrichtung, die die erfassten Messwerte an einen Empfänger insbesondere per Funk oder IR-Signal übermittelt.
19. Mittels mindestens einer Antriebskurbel antreibbare Einrichtung, insbesondere Fahrrad, Ergometer oder Pedelec, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
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